2000-2010年東北地區(qū)湖泊動態(tài)變化及驅(qū)動力分析*

李 寧，劉吉平，王宗明

(1:吉林師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，四平136000)

(2:中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長春130102)

湖泊是濕地的重要形式，是地表特殊的自然綜合體，同時(shí)又是重要的國土資源.湖泊能夠調(diào)節(jié)徑流、防洪減災(zāi)、溝通航運(yùn)、發(fā)電、提供工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活用水，具有重要的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益［1］.湖泊是對全球氣候變化的響應(yīng)最敏感的地理單元之一，同時(shí)也受到人類活動的影響.因此，湖泊的變化又會進(jìn)一步影響自然界和社會經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu).

湖泊對自然界和人類社會有重要的意義，因此一直是眾多科研工作者的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn).近年來隨著遙感技術(shù)和地理信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，不少學(xué)者借助遙感影像和土地利用數(shù)據(jù)獲取湖泊動態(tài)變化信息，并分析導(dǎo)致湖泊面積變化的自然和人文驅(qū)動因素.如Guirguis等選擇多時(shí)段的假彩色合成圖像用主成分分析方法對埃及的Brullus湖從1983-1991年的動態(tài)變化進(jìn)行了研究，結(jié)果表明由于圍墾等原因，湖泊面積顯著縮?。?］.張繼承等研究了西藏地區(qū)湖泊動態(tài)變化，結(jié)果表明氣候因子是該地區(qū)湖泊變化的驅(qū)動因子［3］.李衛(wèi)紅等研究了博斯騰湖水環(huán)境惡化的原因，并提出了相關(guān)的防治措施［4］.邵明誠等研究了巴音郭楞蒙古自治州湖泊動態(tài)變化，表明湖面蒸發(fā)量和人類活動是造成該州湖泊水位下降和水質(zhì)下降的主要原因［5］.張鳳太等研究了近40年江蘇省湖泊動態(tài)變化，結(jié)果表明受人類活動的嚴(yán)重影響湖泊公益性功能(養(yǎng)殖、防洪、灌溉等)嚴(yán)重衰減［6］.朱宣清用多時(shí)段的TM衛(wèi)星圖像、雷達(dá)圖像等多種遙感數(shù)據(jù)和歷史、地理、考古等方面的資料，分別用密度分割、反差拉伸、比值合成等圖像處理方法對白洋淀的歷史演變和近期變化做了定量分析，為白洋淀的綜合治理提出了建設(shè)性的意見，對促使社會經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)大有裨益［7］.李晶晶等利用決策樹分類法提取松嫩平原大安湖泊群近30年來4個(gè)不同時(shí)期的空間分布數(shù)據(jù)，并總結(jié)了其面積動態(tài)變化的影響因素［8］.桂智凡等研究了松嫩平原區(qū)湖泊對氣候變化的響應(yīng)，結(jié)果表明:在氣候變化和人類活動共同影響下，松嫩平原湖區(qū)環(huán)境發(fā)生顯著變化，這些變化可能會導(dǎo)致社會和經(jīng)濟(jì)的巨大風(fēng)險(xiǎn)［9］.許詩等研究了吉林省湖泊的時(shí)空變化特征，并提出氣候變化、人口增加帶來的壓力和水利工程修建等因素對吉林省湖泊萎縮產(chǎn)生了重要影響［10］.以上研究成果主要集中在特定地區(qū)或特定湖泊的水質(zhì)、水域面積、數(shù)量等方面，解讀湖泊動態(tài)變化特征和驅(qū)動因子等科學(xué)問題，缺少對較大范圍地理區(qū)域內(nèi)湖泊的認(rèn)識.

本文運(yùn)用遙感和地理信息技術(shù)，對整個(gè)東北地區(qū)過去10年的湖泊動態(tài)化進(jìn)行分析研究，提取天然湖泊和人工湖泊面積和數(shù)量變化參數(shù)，并分析湖泊變化的主要原因.運(yùn)用動態(tài)度和質(zhì)心偏移模型來研究東北地區(qū)湖泊的時(shí)空變化特征，并從氣候變化和人類活動兩方面來研究其變化的驅(qū)動因子.該研究成果有助于提高對東北地區(qū)地表水資源空間變化特征的認(rèn)識，并將為本區(qū)的生態(tài)環(huán)境演變研究和資源環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)來源及方法

1.1 研究區(qū)概況

東北地區(qū)(38°72'～53°55'N、115°52'～135°09'E)呈三面環(huán)山、中部敞開的地表結(jié)構(gòu).行政區(qū)劃上包括黑龍江、吉林、遼寧3省的全部和內(nèi)蒙古東北部的呼倫貝爾市、興安盟、通遼市、赤峰市，面積為124.3×104km2，占全國總面積的13.5%，人口近1.2億，是我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力雄厚的大經(jīng)濟(jì)區(qū)域，在全國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要地位.研究區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷，夏季氣溫不高，東部地區(qū)的年降水量為400～700 mm，西部僅為250～400 mm，屬于中國寒溫帶、溫帶、暖溫帶濕潤、亞濕潤和亞干旱地區(qū).研究區(qū)內(nèi)主要河流包括黑龍江、松花江、嫩江和遼河.區(qū)內(nèi)湖泊眾多，分布于平原區(qū)的湖泊成因多與地殼沉陷、地勢低洼、排水不暢和河流的擺動等因素有關(guān);分布于山區(qū)的湖泊，其成因多與火山活動密切相關(guān);人工湖多是在自然湖盆基礎(chǔ)上攔蓄圍堰建成的［1］.

1.2 數(shù)據(jù)資料來源

本研究以2000、2005和2010年的Landsat TM和ETM遙感影像為數(shù)據(jù)源，利用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒?，提?期東北地區(qū)湖泊數(shù)據(jù).湖泊數(shù)據(jù)獲取流程如下:在Envi軟件中將Landsat TM和ETM影像進(jìn)行預(yù)處理(TM和ETM影像均拍攝于雨水較少的月份，數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站，網(wǎng)址為http://glovis.usgs.gov/)，包括幾何糾正、圖像融合和圖像裁剪.在eCognition 8.7支持下，利用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒▽?期遙感影像進(jìn)行湖泊信息提取，獲取湖泊的空間信息.最后利用2010年3次野外考察的GPS定位點(diǎn)和通過Google Earth高分辨率影像獲取樣點(diǎn)，對解譯結(jié)果進(jìn)行修正和評價(jià).結(jié)果表明，提取的湖泊信息精度為90.4%.提取湖泊后，結(jié)合相關(guān)資料及參考2000年NLCD中的東北土地利用數(shù)據(jù)區(qū)分天然湖泊(指天然形成的積水區(qū)常年水位以下的土地)和人工湖泊(指人工修建的蓄水區(qū)常年水位以下的土地).本文中的氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)［11］.

1.3 湖泊變化動態(tài)度

應(yīng)用湖泊動態(tài)度分析湖泊變化特征［12］.湖泊動態(tài)度是指某研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)湖泊數(shù)量(或面積)在時(shí)間上的變化，其表達(dá)式為:

式中，K為研究時(shí)段內(nèi)湖泊變化動態(tài)度;Ua、Ub分別為研究初期及研究末期的湖泊面積(或數(shù)量);T為研究時(shí)段長，當(dāng)T的時(shí)段設(shè)定為年時(shí)，K值就是該研究區(qū)湖泊面積(或數(shù)量)的年變化率.

1.4 質(zhì)心偏移模型

通過質(zhì)心分布變化來進(jìn)一步分析不同時(shí)期湖泊在空間分布上的差異，公式為:

式中，Xt、Yt分別表示第t年該湖泊分布質(zhì)心的經(jīng)緯度坐標(biāo);Cti表示第t年第i個(gè)湖泊斑塊的面積;Xi、Yi分別表示第i個(gè)湖泊斑塊的經(jīng)緯度坐標(biāo)［13-14］.

質(zhì)心偏移的方向可以說明湖泊在此方向上擴(kuò)張或者在此方向的反方向上縮減.當(dāng)湖泊在某方向上增加時(shí)，質(zhì)心會向該方向上偏移;而當(dāng)湖泊在某方向上減少時(shí)，質(zhì)心會向該反方向的反方向偏移;質(zhì)心偏移距離的大小可以反映出湖泊增加或減少的劇烈程度.

2 結(jié)果與分析

2.1 東北地區(qū)湖泊面積和數(shù)量動態(tài)變化

2000、2005和2010年東北地區(qū)湖泊分布情況見圖1.遙感數(shù)據(jù)解譯結(jié)果表明:2000、2005和2010年東北地區(qū)湖泊總面積分別為12234.02、11890.24 和11307.58 km2.2000-2010年間湖泊面積共減少了926.44 km2，湖泊面積縮小了7.57%，湖泊面積動態(tài)度為－0.76%.其中2000-2005年間，湖泊面積減少了2.81%，湖泊面積動態(tài)度為－0.56%.2005-2010年間，湖泊面積減少了4.90%，湖泊面積動態(tài)度為－0.98%.湖泊萎縮有加速的趨勢.10年間，面積大于 1 km2的湖泊面積分別為 10217.44、10082.35和 9682.67 km2，縮小了4.75%，湖泊面積動態(tài)度為－0.48%.

圖1 2000-2010年東北地區(qū)湖泊分布變化Fig.1 Changes of the lake distribution in northeast China from 2000 to 2010

2000、2005和2010年東北地區(qū)湖泊數(shù)量分別為21030、22583和16938個(gè)，10年間共減少了4092個(gè)，其中面積大于1 km2的湖泊數(shù)量分別為1043、950和882個(gè)，10年間減少了160個(gè).

為進(jìn)一步說明湖泊動態(tài)變化情況，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)湖泊分布并參考文獻(xiàn)［15］，將湖泊按照面積大小分為4個(gè)等級:1～10、10～50、50～100和100 km2以上(表1).

表1 東北地區(qū)不同面積等級湖泊動態(tài)變化*Tab.1 Dynamic changes of lake area at different levels in northeast China

2000-2010年，面積大于1 km2的湖泊處于萎縮狀態(tài)，總面積減小了534.77 km2，縮小了5.23%.其中，10～50 km2和100 km2以上的湖泊10年間呈先增加后減少的態(tài)勢，前者總面積減少了1 km2，后者總面積減少了135.31 km2;1～10 km2的湖泊萎縮較為明顯，湖泊總面積減少了332.71 km2，平均每年減少33.27 km2;50～100 km2的湖泊總面積減少了66.01 km2，前5年面積大幅減少，后5年面積略有增加.

表2 東北地區(qū)重點(diǎn)湖泊面積變化情況Tab.2 Area changes of key lakes in northeast China

2000-2010年，面積大于1 km2的湖泊減少了161個(gè).其中，1～10 km2的湖泊數(shù)量變化較大，減少了162個(gè);10～50 km2的湖泊增加了2個(gè);50～100 km2的湖泊2000-2005年減少2個(gè)，2005-2010年增加1個(gè);100 km2的湖泊2000-2005年增加1個(gè)，2005-2010年減少1個(gè).

從研究區(qū)內(nèi)7個(gè)面積大于100 km2的湖泊變化情況(表2)來看:呼倫湖、連環(huán)泡、達(dá)里湖和月亮泡處于萎縮狀態(tài);興凱湖和查干湖為擴(kuò)張性湖泊;大龍虎泡處于穩(wěn)定狀態(tài).

2000-2010年間，東北地區(qū)天然湖泊面積不斷減少，人工湖泊面積先減少后增加.2000、2005和2010年東北地區(qū)天然湖泊面積分別為9231.58、9004.30 和 8207.08 km2，共減少了1024.5 km2(11.10%).同期人工湖泊的面積分別為 3002.44、2885.95 和 3100.50 km2，共增加了 98.06 km2(3.27%).天然湖泊減少了4080個(gè)，人工湖泊增加了62個(gè).

2.2 湖泊變化空間差異分析

雖然整個(gè)東北地區(qū)湖泊面積持續(xù)減少，但不同地區(qū)、不同類型的湖泊面積變化卻存在差異.天然湖泊、人工湖泊在不同時(shí)期、不同地區(qū)的面積和數(shù)量變化情況(表3)表明，內(nèi)蒙古東部地區(qū)和吉林省天然湖泊面積呈持續(xù)減少趨勢，分別減少了556.83和281.24 km2;遼寧省天然湖泊面積持續(xù)增加，增加了96.45 km2;黑龍江省天然湖泊面積先增加后減少，2010年比2000年減少了183.13 km2.

人工湖泊面積變化特點(diǎn)是:內(nèi)蒙古東部地區(qū)人工湖泊面積先緩慢增加后急劇減少，2000-2005年增加了 4.02 km2(2.96%)，2005-2010 減少了 94.82 km2(67.92%)，總體面積減少了 90.87 km2(66.97%);黑龍江省和吉林省人工湖泊面積有所增加，前者先減少后增加，后者先增加后減少;遼寧省人工湖泊面積持續(xù)減少(表3).

天然湖泊的數(shù)量變化中，內(nèi)蒙古東部地區(qū)10年間共減少了1432個(gè)，其中2000-2005年間減少了319個(gè)，2005-2010年間減少了1113個(gè);黑龍江省共減少了641個(gè)，其中2000-2005年間減少了22個(gè)，2005-2010年間減少了619個(gè);吉林省10年間減少了2007個(gè)，其中2000-2005年間增加了1879個(gè)，2005-2010年間減少了3886個(gè);遼寧省共減少了6個(gè)，其中2000-2005年間減少了51個(gè)，2005-2010年間增加了45個(gè).人工湖泊的數(shù)量變化中，內(nèi)蒙古東部地區(qū)10年間共減少了59個(gè)，其中2000-2005年間增加了87個(gè)，2005-2010年間減少了146個(gè);黑龍江省10年間增加了37個(gè)，其中2000-2005年間減少了61個(gè)，2005-2010年間增加了98個(gè);吉林省10年間增加了19個(gè)，其中2000-2005年間增加3個(gè)，2005-2010年間增加61個(gè);遼寧省共減少74個(gè)，其中2000-2005年間增加了34個(gè)，2005-2010年間減少了108個(gè)(表3).

綜上所述，10年間，內(nèi)蒙古東部地區(qū)天然湖泊和人工湖泊數(shù)量均在減少，其中前者持續(xù)減少，后者先增加后減少;黑龍江省天然湖泊數(shù)量持續(xù)減少，人工湖泊數(shù)量總體增加，呈先增加后減少的趨勢;吉林省天然湖泊數(shù)量總體減少，呈先增加后減少的趨勢，人工湖泊數(shù)量持續(xù)增加;遼寧省天然湖泊和人工湖泊的數(shù)量均在減少，其中天然湖泊數(shù)量先減少后增加，人工湖泊數(shù)量先增加后減少.

表3 東北地區(qū)天然、人工湖泊面積和數(shù)量Tab.3 The area and number of natural and artificial lakes in northeast China

2.3 湖泊質(zhì)心偏移

2000-2010年間，湖泊質(zhì)心向西偏移2°30'，向北偏移2°20'，整體向西北偏移327.07 km.2000-2005年間，湖泊質(zhì)心向西北偏移342.72 km.2005-2010年間湖泊質(zhì)心向東南偏移20.39 km.研究區(qū)內(nèi)湖泊整體萎縮狀態(tài)下，湖泊質(zhì)心向西北偏移，說明西北方向湖泊萎縮面積相對較少.湖泊質(zhì)心向西北方向偏移的原因可能為［16］:研究區(qū)東南方向綜合經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及人口比重相對西北方向較大，東南方向工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活用水量相應(yīng)增加，造成東南方向湖泊萎縮程度大于西北方向，導(dǎo)致湖泊質(zhì)心向西北方向偏移.

3 湖泊動態(tài)變化驅(qū)動力分析

湖泊水量變化主要受入湖徑流、湖面降水、湖面蒸發(fā)和湖泊用水影響.研究區(qū)內(nèi)湖泊處于萎縮狀態(tài)，而引起湖泊萎縮的驅(qū)動因素主要有人文因素和自然因素2個(gè)方面，其中人文因素包括人口增加帶來的壓力和水利工程建設(shè)對水循環(huán)過程的破壞，自然因素包括氣候變化及河川徑流量的變化.

近代湖泊環(huán)境的變化，特別是短時(shí)間尺度百－十年尺度的環(huán)境變化與人文因素密切相關(guān)［17］，人文因素是研究區(qū)內(nèi)湖泊動態(tài)變化的主要影響因素.水利工程的修建直接影響人工湖泊面積變化(表4)的同時(shí)，還導(dǎo)致下游及沿岸天然湖泊不斷萎縮和消亡.研究區(qū)內(nèi)天然湖泊的大幅減少是湖泊面積減少的主要原因.

表4 東北地區(qū)重點(diǎn)人工湖泊面積變化Tab.4 Area changes of key artificial lakes in northeast China

3.1 自然因素的影響

降水和徑流作為湖泊的重要補(bǔ)給水源，其變化對湖泊的變化有重要影響.隨著全球氣候變暖，東北地區(qū)氣候趨于干旱化.賀偉等［18］研究顯示，1961-2005年東北地區(qū)總體氣候呈現(xiàn)明顯暖干化趨勢.干燥的氣候不僅導(dǎo)致湖泊萎縮，也促使湖泊濕地向草原和鹽堿地轉(zhuǎn)化，同時(shí)，湖泊濕地的退化改變了下墊面性質(zhì)，更加劇了局部氣候的干旱化.俞方圓［19］研究顯示:1958-2008年，松花江流域降水量和氣溫分別呈微弱的下降和顯著的上升趨勢，同時(shí)，2000-2008年松花江流域主要水文站徑流量均呈下降趨勢.董李勤等對1978-2008年嫩江流域年均徑流深進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，嫩江流域干支流徑流深均有不同程度的減少［20］.河川徑流的減少直接導(dǎo)致入湖水量的減少，造成湖泊面積萎縮.

對東北地區(qū)氣溫和降水的研究結(jié)果(圖2)表明，10年間東北地區(qū)降水呈上升趨勢，氣溫變化不大.結(jié)合表3可知，人工湖泊面積變化對近10年氣候變化的響應(yīng)較為明顯，天然湖泊面積變化對10年間氣候變化的響應(yīng)不明顯.

圖2 東北地區(qū)氣候變化Fig.2 Changes of climatic factors in northeast China

3.2 人類活動的影響

隨著人口的不斷增加，糧食需求量增大，人地矛盾加劇，許多湖泊濕地被改造成耕地，直接導(dǎo)致了湖泊萎縮甚至干涸.工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活用水量的不斷增加，加大了對地表及地下水資源的索取量，致使地表徑流減少和地下水位下降，影響了入湖水量，地下水位的下降反過來加劇了地下水與湖泊水量的交換，為達(dá)到新的水量平衡，使湖泊水體大量補(bǔ)給地下水［21］，導(dǎo)致湖泊面積減少，水質(zhì)咸化.

水庫和堤防的修建改變了水文過程，截?cái)嗔讼掠魏吹难a(bǔ)給水源，這些湖泊因得不到充足的水源而缺水，出現(xiàn)萎縮和干涸現(xiàn)象.據(jù)統(tǒng)計(jì)，松嫩水系已建有中型水庫67座，小型水庫413座，堤防長度達(dá)到6338 km，并修建了許多引水灌區(qū)［22］.嫩江流域“南引”、“中引”、“北引”等引水工程的建設(shè)，雖然滿足了工農(nóng)業(yè)用水需要，卻減少了下游河流徑流，給下游湖泊濕地帶來負(fù)面效應(yīng)，影響其生態(tài)、水文過程.研究表明，洮兒河上游察爾森水庫以及灌溉水渠的建設(shè)使下游河流徑流量減少［23］，“引洮入向(海)”和“引洮濟(jì)霍(林河)”等工程進(jìn)一步加劇了下游水資源短缺的問題，下游月亮泡等湖泊濕地因入水量逐年減少而出現(xiàn)萎縮、退化趨勢.嫩江流域上游營建水庫或引水用于農(nóng)田灌溉，水源被大量截流或分流，使莫莫格保護(hù)區(qū)失去了補(bǔ)水源泉，改變了莫莫格濕地原來的水資源空間分布格局和自然水文情勢，莫莫格由于得不到足夠的水量補(bǔ)給，面積呈現(xiàn)出逐年下降的趨勢［24］.

4 結(jié)論與建議

2000-2010年間東北地區(qū)湖泊處于萎縮狀態(tài)，湖泊總面積減少了926.44 km2，其中天然湖泊面積減少了1024.5 km2，人工湖泊面積增加了98.06 km2.湖泊面積萎縮受自然因素和人類活動的共同影響，氣候變化是湖泊面積萎縮的內(nèi)在因素，而人類活動卻加速了這種變化，即人類活動疊加在氣候變化之上，對湖泊的變化產(chǎn)生了放大作用.干旱的氣候和人類活動使湖泊濕地退化日益嚴(yán)重，而退化和減少的湖泊又加劇了局部氣候的干旱化.

為了保護(hù)和改善湖泊生態(tài)環(huán)境，目前應(yīng)該加強(qiáng)水資源的合理開發(fā)和高效利用;進(jìn)一步重視流域內(nèi)水利工程的系統(tǒng)化建設(shè)，統(tǒng)一協(xié)調(diào)上下游和湖區(qū)內(nèi)外的關(guān)系;有效控制圍墾規(guī)模，科學(xué)利用和管理土地;正確處理湖泊保護(hù)和合理利用的關(guān)系，促進(jìn)人與湖泊的和諧發(fā)展和湖泊資源的可持續(xù)利用.深入開展湖泊的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究工作，加強(qiáng)開展湖泊在氣候變化和人類活動脅迫下的變化趨勢研究，有助于我們應(yīng)對區(qū)域日益嚴(yán)重的水資源危機(jī)和水安全風(fēng)險(xiǎn)，趨利避害，實(shí)現(xiàn)人類與自然的和諧共處［8-10］.

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